高精度超声波测距仪的设计和实现答辩PPT优秀PPT.ppt

第一章 绪 论第二章 超声测距技术方案分析第三章 超声波测距系统硬件部分设计第四章 超声波测距系统软软部分设计第五章 系统实现与检验1.2 本课题相关说明1.1 选题背景及意义第第一一章章 绪论1.1 选题背景及意义选题背景及意义v超声波测距是一种传统而好用的非接触测量方法，和激光、涡流和无超声波测距是一种传统而好用的非接触测量方法，和激光、涡流和无线电测距方法相比，具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点，线电测距方法相比，具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点，在比较恶劣的环境中也具有确定的适应实力，且结构简洁，成本低，在比较恶劣的环境中也具有确定的适应实力，且结构简洁，成本低，因此在工业限制、建筑测量、机器人定位方面得到了广泛的应用。但因此在工业限制、建筑测量、机器人定位方面得到了广泛的应用。但由于超声波传播声时难于精确捕获，温度对声速的影响等缘由，使得由于超声波传播声时难于精确捕获，温度对声速的影响等缘由，使得超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了超声测距系统在测量精超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用。距离是在不同的场合和限制中须要检测度要求更高的场合下的应用。距离是在不同的场合和限制中须要检测的一个参数，测距成为数据采集中要解决的一个问题。而由于超声波的一个参数，测距成为数据采集中要解决的一个问题。而由于超声波的速度相对光速小的多，其传播时间比较简洁检测，并且易于定向放的速度相对光速小的多，其传播时间比较简洁检测，并且易于定向放射，方向性好，强度好限制，因而人类接受仿真技能利用超声波测距。射，方向性好，强度好限制，因而人类接受仿真技能利用超声波测距。超声波测距是一种利用超声波特性、电子技术、光电开关相结合来实超声波测距是一种利用超声波特性、电子技术、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。因为它是非接触式的，所以它就能够在现非接触式距离测量的方法。因为它是非接触式的，所以它就能够在某些特定场合或环境比较恶劣的状况下运用。比如要测量有毒或有腐某些特定场合或环境比较恶劣的状况下运用。比如要测量有毒或有腐蚀性化学物质的液面高度或高速马路上快速行驶汽车之间的距离。如蚀性化学物质的液面高度或高速马路上快速行驶汽车之间的距离。如油库和水箱液面的精确测量和限制，物体内气孔大小的检测和机械内油库和水箱液面的精确测量和限制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。部损伤的检测等。1.2 本设计相关说明本设计相关说明v依据设计要求并综合各方面因素，可以接受依据设计要求并综合各方面因素，可以接受AT89S52单单片机作为主限制器，超声波驱动信号用单片机的定时器完片机作为主限制器，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，其中硬件部分主要由单片机主系统及超声波放射模块、成，其中硬件部分主要由单片机主系统及超声波放射模块、超声波接受模块、温度补偿模块、语音播报模块、超声波接受模块、温度补偿模块、语音播报模块、LCD显显示模块几部分组成。接受示模块几部分组成。接受AT89S52来实现对各个子模块来实现对各个子模块的限制。由单片机计数器所计的数据就是超声波所经验的的限制。由单片机计数器所计的数据就是超声波所经验的时间，结合超声波声速通过换算就可以得到传感器与障碍时间，结合超声波声速通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离，并将距离和温度补偿模块所测得的环境温物之间的距离，并将距离和温度补偿模块所测得的环境温度在度在LCD屏幕上予以显示。软件部分主要有主程序、超声屏幕上予以显示。软件部分主要有主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序。波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序。项目概述项目概述2.2超声测距原理2.3超声测距系统的主要参数2.1 超声与超声的特性其次章 超声测距技术方案分析2.1 超声与超声的特性v声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。当声的频率声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限高到超过人耳听觉的频率极限(依据大量试验数据统计，依据大量试验数据统计，取整数为取整数为20000赫兹赫兹)时，人们就会觉察不出四周声的存时，人们就会觉察不出四周声的存在，因而称这种高频率的声为在，因而称这种高频率的声为“超超”声。声。v超声波的特性有：超声波的特性有：v（1）束射特性）束射特性v由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，而且遵守几何光学上的全部能够反射、折射，也能聚焦，而且遵守几何光学上的全部定律。即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于定律。即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射现象，也就是要变更它的传播方向，两种时就会产生折射现象，也就是要变更它的传播方向，两种物质的密度差别愈大，则折射率也愈大。物质的密度差别愈大，则折射率也愈大。（2）吸取特性）吸取特性声波在各种介质中传播时，随着传播距离的增加，其强度会渐渐减弱，声波在各种介质中传播时，随着传播距离的增加，其强度会渐渐减弱，这是因为介质要吸取掉它的部分能量。对于同一介质，声波的频率越高，介这是因为介质要吸取掉它的部分能量。对于同一介质，声波的频率越高，介质吸取就越强。对于一个频率确定的声波，在气体中传播时吸取尤为历害，质吸取就越强。对于一个频率确定的声波，在气体中传播时吸取尤为历害，在液体中传播时吸取就比较弱，在固体中传播时吸取是最小的。在液体中传播时吸取就比较弱，在固体中传播时吸取是最小的。（3）超声波的能量传递特性）超声波的能量传递特性超声波之所以能在各个工业部门中得到广泛的应用，主要缘由还在于比超声波之所以能在各个工业部门中得到广泛的应用，主要缘由还在于比声波具有强大得多的功率。为什么有这么强大的功率呢。因为当声波进入某声波具有强大得多的功率。为什么有这么强大的功率呢。因为当声波进入某一介质中时，由于声波的作用使物质中的分子也随之振动，振动的频率和声一介质中时，由于声波的作用使物质中的分子也随之振动，振动的频率和声波频率波频率样，分子振动的频率确定了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。样，分子振动的频率确定了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。物资分子由于振动所获得的能量除了与分子本身的质量有关外，主要是由分物资分子由于振动所获得的能量除了与分子本身的质量有关外，主要是由分子的振动速度的平方确定的子的振动速度的平方确定的,所以假如声波的频率愈高，也就是物质分子愈能所以假如声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量。超声波的频率比一般声波要高出很多，所以它可以使物质得到更高的能量。超声波的频率比一般声波要高出很多，所以它可以使物质分子获得很大的能量；换句话来说，超声波本身就可以供应物质分子足够大分子获得很大的能量；换句话来说，超声波本身就可以供应物质分子足够大的功率。的功率。（4）超声波的声压特性）超声波的声压特性当声波进入某物体时当声波进入某物体时,由于声波振动使物质分子相互之间产生压缩和稀疏由于声波振动使物质分子相互之间产生压缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生变更。由于声波振动引起附加压力现象叫的作用，将使物质所受的压力产生变更。由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。声压作用。2.2 超声测距原理v最常用的超声最常用的超声测测距的方法是回声探距的方法是回声探测测法，超声波放射器向法，超声波放射器向某一方向放射超声波，在放射某一方向放射超声波，在放射时时刻的同刻的同时计时计数器起先数器起先计时计时，超声波在空气中超声波在空气中传传播，途中遇到障碍物面阻播，途中遇到障碍物面阻挡挡就就马马上反射上反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就回来，超声波接收器收到反射回的超声波就马马上停止上停止计时计时。超声波在空气中的超声波在空气中的传传播速度播速度为为340m/s，依据，依据计时计时器器记记录录的的时间时间t，就可以，就可以计计算算动动身射点距障碍物面的距离身射点距障碍物面的距离S，即：，即：S=340t/2。v由于超声波也是一种声波，其声速由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关。与温度有关。V=331.4+0.607T在运用在运用时时，假如，假如传传播介播介质质温度温度变变更更不大，不大，则则可近似可近似认为认为超声波速度在超声波速度在传传播的播的过过程中是基本不程中是基本不变变的。假如的。假如对测对测距精度要求很高，距精度要求很高，则应则应通通过过温度温度补偿补偿的方的方法法对测对测量量结结果加以数果加以数值值校正。声速确定后，只要校正。声速确定后，只要测测得超声得超声波来回的波来回的时间时间，即可求得距离。，即可求得距离。这这就是超声波就是超声波测测距距仪仪的基的基本原理。本原理。3.2单片机处理单元3.3发射模块3.1 概述第第三三章章 超声测距技术硬件部分设计3.5语音播报模块3.4接收模块3.6温度补偿模块3.1 概述概述v整体电路的限制核心为单片机整体电路的限制核心为单片机AT89S52。另外还有温度。另外还有温度测量电路测量当时的空气温度，等到把数据送到单片机后测量电路测量当时的空气温度，等到把数据送到单片机后运用软件对超声波的传播速度进行调整，使测量精度能够运用软件对超声波的传播速度进行调整，使测量精度能够达到要求。整体结构图包括超声波放射电路达到要求。整体结构图包括超声波放射电路,超声波接收超声波接收电路电路,单片机电路单片机电路,显示电路显示电路,语音播报电路和温度补偿电语音播报电路和温度补偿电路等几部分模块组成。单片机限制放射模块发出路等几部分模块组成。单片机限制放射模块发出40kHZ的超声波信号并起先记时，通过超声波放射器输出超声波的超声波信号并起先记时，通过超声波放射器输出超声波信号；超声波接收器将接收到的超声波返回信号送至接收信号；超声波接收器将接收到的超声波返回信号送至接收模块，经处理后，送至中断信号至单片机，单片机启动中模块，经处理后，送至中断信号至单片机，单片机启动中断程序，测得时间为断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算和修正，再由软件进行判别、计算和修正，得出距离数并送得出距离数并送LCD显示。显示内容包含当前温度值和所显示。显示内容包含当前温度值和所测距离。测距离。硬件结构图整体设计图3.2 单片机处理单元单片机处理单元v单单片机正常工作片机正常工作时时，都，都须须要一个要一个时钟电时钟电路和一个复位路和一个复位电电路来构路来构成成单单片机的最小系片机的最小系统统。时钟电时钟电路用于路用于产产生生单单片机工作片机工作时时所需的所需的时钟时钟信信号，其有两种号，其有两种时钟时钟方式：外部方式：外部时钟时钟和内部和内部时钟时钟。外部始。外部始终终是运用外部是运用外部振振荡荡脉冲信号，常用于多片脉冲信号，常用于多片单单片机同片机同时时工作，以便于同步。本工作，以便于同步。本设计设计只只有一片有一片单单片机，接受内部片机，接受内部时钟时钟方式。方式。AT89S52内部有一个可限制的内部有一个可限制的负负反反馈馈反向大器，引脚反向大器，引脚XTAL1和和XTAL2分分别别是此放大器的是此放大器的输输入端和入端和输输出端。出端。这这个放大器与反个放大器与反馈馈元件的片外石英晶体或陶瓷元件的片外石英晶体或陶瓷谐谐振器构成一振器构成一个自激振个自激振荡荡器。外接晶体以及器。外接晶体以及电电容容C1和和C2构成并构成并联谐联谐振振电电路，接在路，接在放大器的反放大器的反馈馈回路中。回路中。对对外接外接电电容容值虽值虽然没有然没有严严格的要求，但是格的要求，但是电电容容的大小多少会影响振的大小多少会影响振荡荡器器频频率的凹凸、震率的凹凸、震荡荡器的器的稳稳定性、快速性以及定性、快速性以及温度温度稳稳定性。出于定性。出于对测对测距精度的考距精度的考虑虑，本，本设计设计接受接受12MHZ的晶体振的晶体振荡荡器，器，c1和和c2的的电电容容值约为值约为100PF。v复位是复位是单单片机的初始化操作，只要片机的初始化操作，只要RST引脚出至少保持两个机器引脚出至少保持两个机器周期的高周期的高电电平就可以平就可以实现实现复位。在复位。在RST端出端出现现高高电电平后的其次个周期，平后的其次个周期，执执行内部复位，以后每个周期重复一次，直至行内部复位，以后每个周期重复一次，直至RST端端变变低。低。单单片机的片机的复位复位电电路有两种：上路有两种：上电电复位和手复位和手动动复位。本复位。本设计设计接受手接受手动动复位方式。复位方式。当按下复位按当按下复位按钮时钮时，电电容快速放容快速放电电，使，使RST端快速端快速变为变为高高电电平，复位平，复位按按钮钮松开后，松开后，电电容通容通过电过电阻充阻充电电，渐渐渐渐使使RST端复原低端复原低电电平。平。单片机最小系统电路图3.3 放射模块放射模块v超声波放射部分是为了让超声波放射换能器超声波放射部分是为了让超声波放射换能器TCT4016T能向外界发出能向外界发出40kHz左右的方波脉冲信号。放射模左右的方波脉冲信号。放射模块的核心是块的核心是MAX232集成块。由于单片机端口输出功率集成块。由于单片机端口输出功率不够，故须要通过放射模块来实现推动超声波放射探头工不够，故须要通过放射模块来实现推动超声波放射探头工作的效果，通过编程由单片机作的效果，通过编程由单片机P3.1端口输出脉冲信号至端口输出脉冲信号至放射模块，放射模块随即限制超声波放射器放射模块，放射模块随即限制超声波放射器TCT4016T以将超声波放射到空气中。以将超声波放射到空气中。资料资料放射模块电路图3.4 接收模块接收模块vTCT4016T放射的超声波在空气中传播，遇到障碍物放射的超声波在空气中传播，遇到障碍物就会返回，返回的部分有超声波接收器接收。超声波接收就会返回，返回的部分有超声波接收器接收。超声波接收部分是为了将反射波部分是为了将反射波(回波回波)顺当接收到，超声波接收换能顺当接收到，超声波接收换能器器TCT4016R将接收到的反射波转换变成电信号，并将接收到的反射波转换变成电信号，并对此电信号进行放大、滤波、整形等处理后得到一个负脉对此电信号进行放大、滤波、整形等处理后得到一个负脉冲送给单片机的冲送给单片机的3.2(INT0)引脚，以产生一个中断。引脚，以产生一个中断。在在这里我接受的是集成电路这里我接受的是集成电路CX20106A，这是一款红外线，这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率虑到红外遥控常用的载波频率38KHz与测距超声波频率与测距超声波频率40KHz较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。试较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。试验证明其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰实力。验证明其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰实力。接收模块电路图3.5 语音播报模块语音播报模块语音播报模块电路图3.6 温度补偿模块温度补偿模块vDS18B20是美国是美国DALLS公司推出的温度公司推出的温度传传感器芯片。感器芯片。为为提高提高测测距精度，接受温度距精度，接受温度检测电检测电路。温度路。温度测测量量电电路是基路是基于于DS18B20单线单线式数字温度式数字温度传传感器，感器，电电路特路特别简洁别简洁，可，可干脆将其干脆将其DS-D端与端与单单片机片机P3.3口（口（详见图详见图3.6）相）相连连。利用温度利用温度检测电检测电路路实时实时的的测测量量环环境温度境温度T并将并将结结果送至果送至单单片机，片机，单单片机分析片机分析计计算超声波的修正后速度。算超声波的修正后速度。温度补偿模块电路图4.2发射程序和接收中断程序4.3通过温度修正速度程序4.1 概述第第四四章章 超声测距技术软件部分设计4.4主程序4.1 概述概述v超声波超声波测测距距仪仪的的软软件件设计设计主要由主程序、超声波主要由主程序、超声波发发生子程序、超声波接收生子程序、超声波接收中断程序及中断程序及显显示子程序示子程序组组成。接受成。接受C语语言言编编程，翻程，翻译译成成汇编语汇编语言写入言写入单单片机。片机。4.2 放射程序和接收中断程序放射程序和接收中断程序vvoidsend()/脉冲波发送脉冲波发送vvuchari;vTH0=0;vTL0=0;/清定时清定时0vTR0=1;/开定时开定时0vET0=1;vfor(i=0;i10;i+)vvsg=sg;/超声波发送引脚超声波发送引脚v_nop_();_nop_();_nop_();v_nop_();_nop_();_nop_();v_nop_();_nop_();_nop_();v_nop_();_nop_();_nop_();vvsg=1;vdelay(36);vEX0=1;/开外部中断开外部中断vvvoidrec()interrupt0using2vvTout=0;/超时标记超时标记vflag=1;/外部中断标记位外部中断标记位vTR0=0;/关定时器关定时器0vET0=0;vEX0=0;vtime=256*TH0+TL0;vvvoidTimeOut(void)interrupt1using2vvTout=1;vflag=0;vTR0=0;vET0=0;v4.3 通过温度修正速度程序通过温度修正速度程序vuintget_temp()vfloatwendu;vinit18b20();vwr18b20(0 xcc);vwr18b20(0 x44);vinit18b20();vwr18b20(0 xcc);vwr18b20(0 xbe);vtemp_data0=read18b20();vtemp_data1=read18b20();vtvalue=temp_data1;vtvalue=8;vtvalue|=temp_data0;vif(tvalue0 x0fff)vtflag=0;velsevtvalue=tvalue+1;vtflag=1;vvwendu=tvalue*(0.625);vtvalue=wendu*100;vreturn(tvalue);vvfloatcomputerv(void)vfloatv;vv=331.4+0.607*tvalue/1000;vreturn(v);v4.4 主程序主程序vulongs;vucharflag1;vTMOD=0 x11;/定时定时0方式方式1vTH0=0;vTL0=0;/清定时值清定时值;/EX0=1;/开外部中断开外部中断0vIT0=1;/外部中断外部中断0下降沿触发下降沿触发vEA=1;/开总中断开总中断vlcd_init();vflag=0;vwhile(1)vflag1=1;vif(flag1=1)vtvalue=get_temp();vdisplay2(tvalue);vprint(1,1,温度温度:);vprintstr(4,1,disbuft,7);vc=computerv();vsend();vwhile(Tout=0)vif(flag=1)vvs=computers(c);vif(s1462)vprint(3,2,盲区盲区);vsound_play3();velsevdisplay(s);vprint(1,2,前方距离前方距离:);vprintstr(3,3,distance,7);vsound_play1();vsound_play2();vflag=0;vwhile(1);vif(Tout=1)vTout=0;ErrorDisplay();vv5.2 功能测试5.1 硬件组实物图第第五五章章 系统实现与检验5.3 误差分析5.1 硬件实物组图硬件实物组图5.2 功能测试功能测试测试结果表测试结果表5.3 误差分析误差分析v1.放射接收时间误差放射接收时间误差v2.实际声速获得上的误差实际声速获得上的误差v3.测试过程中出现的误差测试过程中出现的误差感谢观看感谢观看